機制砂-石屑復合細集料對不同強度等級混凝土性能的影響

童小根，張凱峰，孟 剛，羅作球，胡宇博，王佳敏，王 博，王國峰

(中建西部建設北方有限公司，西安 710065)

0 引 言

近年來，隨著我國城鎮化進程加快，大規模基建項目開工建設使得混凝土需求不斷增加。細集料作為混凝土重要的組成部分之一，其品質對混凝土拌合物的工作性和硬化混凝土的力學性能均具有重要影響[1]。而天然河砂作為一種優質的混凝土細集料被大量開采已接近枯竭，再加之國家環保政策趨嚴限制開采，市場出現了嚴重的供不應求現象，使得河砂價格飛漲，這給用砂大戶——預拌混凝土和砂漿企業的生產運營帶來了巨大壓力[2]。在此種形勢背景下，混凝土生產企業開始使用機制砂、石屑逐步替代天然河砂。但是，石屑和機制砂都存在粒形差、級配不合理等缺陷，單獨使用所配制的混凝土易出現泌水離析，很難滿足泵送要求[3-6]。若將二者進行合理搭配，即可發揮出互補效應，使得骨料級配更趨合理,空隙率減小，不僅有利于混凝土質量的控制并降低生產成本，還可實現固廢資源的循環再利用[7-8]。鑒于此，本文通過分析不同品種與產地機制砂、石屑的顆粒級配，并按照不同比例搭配,篩選出滿足II區中砂級配要求及石屑摻比較大的復合砂，利用優選出來的復合砂開展不同強度等級C30～C50混凝土的性能對比試驗，從而找出最佳搭配比例的復合砂，為石屑與機制砂在混凝土中的應用提供技術參考。

1 實 驗

1.1 原材料

(1)水泥：采用冀東P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能如表1所示。

表1 水泥的物理力學性能

(2)粉煤灰：Ⅱ級，生產廠家華能，其性能檢測指標如表2所示。

表2 粉煤灰技術指標

(3)礦粉：S95級，生產廠家寶格，其性能檢測指標如表3所示。

表3 礦粉技術指標

(4)粗集料：卵破，產地寶雞；碎石，產地寧強。根據《建筑用卵石、碎石》(GB 14685—2001)選用級配合格的骨料，其性能指標如表4所示。

表4 粗集料性能指標

(5)細集料：水洗機制砂J1、J2，產地分別為洋縣、靈寶；石屑S，產地為扶風。其各項性能檢測指標如表5所示。

表5 細集料性能指標

(6)外加劑：選用中建聚羧酸減水劑，其性能指標見表6。

表6 外加劑技術指標

1.2 方 法

1.2.1 復合砂組成設計

通過對不同來源地與品質的水洗機制砂J1、J2與石屑S分別進行各項指標檢測，其中對滿足質量指標要求的機制砂J、石屑S采用砂標準篩按不同篩號全部篩分。其篩分結果見表7。

表7 不同品種石屑篩分析

將篩選出的兩種水洗機制砂J1、J2與石屑S分別按照不同組合比例8 ∶2、7 ∶3、6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6(質量比，下同)正交搭配，根據《建設用砂》(GB/T 14684—2001)[9]中對機制砂II區顆粒級配區間的要求，通過合理調配機制砂J1或J2與石屑S二者間的復配比例大小，從而改善混合細集料顆粒之間的級配情況。采用級配合成計算的方法得到混合細集料不同篩孔所對應的累計篩余百分值，并按照《混凝土泵送施工技術規程》(JGJ/T 10—2011)[10]中提供的最佳級配區間上、下限范圍來選取，得到滿足II區級配區間范圍不同搭配比例的復合砂，其級配曲線如圖1、圖2所示。在滿足使用要求的前提下，為了最大程度地使用石屑，減少固體廢棄物尾礦的產生，實現資源的循環再生利用，最終篩選出兩種機制砂J1、J2與石屑S分別按質量比6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6復配成的，滿足II區級配區間且石屑摻比不低于40%的6種復合砂。

圖1 J1與S復合砂級配曲線

圖2 J2與S復合砂級配曲線

表8為復合砂的松散堆積密度及空隙率情況，從表中數據可看出，J1、J2分別與S按照6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6搭配的混合砂，其松散堆積空隙率具有相同的變化規律。其中兩者搭配比例在6 ∶4時混合砂松散堆積空隙率值最小，另外，在搭配比例分別為6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6時，J1與S組成的混合砂松散堆積空隙率值均要高于J2與S組成的混合砂。這也反映出在同樣是Ⅱ區中砂的條件下，其顆粒之間的級配組成并不是完全相同，因此將其作為細集料制備的混凝土在性能上也會存在些許差異。

表8 不同搭配比例復合砂空隙率情況

1.2.2 配合比設計

以篩選出的6種復合砂分別作為C30～C50混凝土配合比中的細集料開展試配驗證，不同級配復合砂制備不同強度等級混凝土共18組，試驗配比如表9所示。外加劑按照3.0%比例添加，根據具體狀態適當調整。此外，C30和C40應用的石子為卵破，C50應用的石子為碎石。

表9 不同搭配比例復合砂混凝土試驗配合比

1.2.3 性能測試方法

混凝土拌合物的坍落度、擴展度評價標準，參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)進行測試。硬化混凝土不同養護齡期的抗壓強度，參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)進行測試。混凝土抗水滲透、抗氯離子滲透等耐久性能，參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GBT 50082—2009)進行測試。

2 結果與討論

2.1 復合砂對混凝土工作性能影響分析

圖3 C30新拌復合砂混凝土工作性

不同級配組成的復合砂所制備C30～C50混凝土坍落度與擴展度測試結果如圖3～圖5所示。由圖中坍落度與擴展度數值變化規律可看出，在相同配合比下，J2與S搭配的復合砂混凝土坍落度與擴展度指標均要優于J1與S搭配的復合砂混凝土。這主要是由于J2中所含石粉含量低于J1，石粉含量越多使得水泥水化需水量增加，單位時間內水分的損耗速度加快，增大了混凝土漿體的黏滯性。在相同配比下，機制砂與石屑質量比為6 ∶4、5 ∶5時混凝土拌合物和易性良好，坍落擴展度測試指標均可滿足混凝土實際生產應用中的要求。其中復合砂搭配比例為6 ∶4時坍落度、擴展度指標要略高于搭配比例5 ∶5，這是因為在6 ∶4時骨料空隙率小，填充骨料之間間隙的膠凝材料用量也相應減少，使得更多節余的水泥膠漿在骨料之間起到潤滑作用，從而改善了新拌混凝土的工作性。當機制砂與石屑搭配比例為4 ∶6時，滿足相應工作性要求下所需外加劑摻量增大，經測試混凝土初始坍落度、擴展度均可滿足使用要求，但坍落度經時損失較快。這是因為石屑摻比超過50%后，帶入了過多石粉，使得集料比表面積大幅增加對水和外加劑吸附能力增強[11]。

圖4 C40新拌復合砂混凝土工作性

圖5 C50新拌復合砂混凝土工作性

2.2 復合砂對混凝土力學性能影響分析

混凝土力學性能的優劣往往通過抗壓強度作為評價指標。水洗機制砂與石屑不同搭配比例對復合砂的顆粒級配及空隙率有較大影響，而混合砂細集料的空隙率大小與混凝土強度之間有著必然聯系，導致混凝土強度增大或減小。

圖6～圖11為C30～C50混凝土不同齡期抗壓強度變化曲線，從圖中可以看出，兩種機制砂J1與J2分別與石屑S按不同比例6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6復配，其搭配組成的復合砂混凝土快測強度、7 d抗壓強度及28 d抗壓強度曲線變化趨勢基本一致，都是先降低后又略有升高，其中兩者復配比例為6 ∶4時，對應的C30、C40、C50混凝土各齡期強度最高。由此可知，在相同配比下不同級配的細集料對混凝土強度有較大程度的影響，主要是不同搭配比例的復合砂空隙率大小不同所導致，在復配比例6 ∶4時具有最小的空隙率，內部結構密實，從而具有更高抵抗外部破壞的能力。而當兩者比例在5 ∶5時空隙率變大，結構內部存在更多孔洞缺陷使得密實性降低，在外力作用下更容易導致應力集中，從而造成強度損失較大。

同時，兩種機制砂J1與J2分別與石屑S按不同比例6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6組成的復合砂對應的各標號混凝土28 d抗壓強度均可滿足設計值要求，并且J1、J2與S搭配的復合砂混凝土28 d強度平均富余值分別在10%、20%以上，也可間接表明機制砂J2與S復配對力學性能增強效果更加明顯。這是由于J1中石粉含量高于J2，使得相同質量的復合砂中石粉含量占比增大,而吸附較多的聚羧酸減水劑在顆粒表面[12]，伴隨著混凝土強度發展過程,會帶來很多負面效應，造成混凝土內部缺陷增加,不利于強度增長，從而使得前者強度低于后者。

圖6 C30(J1)復合砂混凝土抗壓強度

圖7 C30(J2)復合砂混凝土抗壓強度

圖8 C40(J1)復合砂混凝土抗壓強度

圖9 C40(J2)復合砂混凝土抗壓強度

圖10 C50(J1)復合砂混凝土抗壓強度

圖11 C50(J2)復合砂混凝土抗壓強度

2.3 復合砂對混凝土耐久性能影響分析

試驗選取品質較優的機制砂J2與石屑S按照不同搭配比例6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6組成的復合砂，分別研究其對所配制不同強度等級C30～C50復合砂混凝土抗水滲透與抗氯離子滲透耐久性能的影響。

圖12為不同組成復合砂混凝土滲水高度。由圖12可知，不同強度等級復合砂混凝土試件的滲透性先降低后升高，但滲水高度值均大于二者搭配比例為6 ∶4的復合砂混凝土。當J2與S搭配比例為6 ∶4時配制的復合砂混凝土28 d滲水高度值最小，此時C30、C40、C50混凝土的滲水高度值分別為25 mm、17 mm、14 mm，當二者搭配比例為5 ∶5時，其各強度等級復合砂混凝土滲水高度值分別增加了24.0%、35.3%、35.7%；而在二者搭配比例為4 ∶6時，其配制的各強度等級復合砂混凝土滲水高度值增幅分別降緩至8.0%、17.6%、14.3%。

混凝土的抗氯離子滲透性能以通過其電通量大小為衡量指標，不同組成復合砂混凝土電通量如圖13所示。由圖13中數值變化規律可知，不同組成比例的復合砂配制出的各強度等級C30～C50混凝土28 d電通量均在1 000～2 000 C之間，抗氯離子滲透性能均為Q-III等級[13]。其中J2與S搭配比例為6 ∶4時配制的復合砂混凝土電通量值最小，隨著機制砂J2摻比的減少、石屑S摻比的增加，電通值均有不同程度的增大，而在二者搭配比例為5 ∶5時電通量值最大，所配制的各強度等級C30、C40、C50混凝土電通量值分別為1 871 C、1 619 C、1 547 C。

圖12 不同組成復合砂混凝土滲水高度

圖13 不同組成復合砂混凝土電通量

根據以上測試數據的不同變化規律，分析其可能的原因為機制砂J2與石屑S搭配比例在6 ∶4時，不同粒徑顆粒之間互為填充，形成嵌擠緊密堆積集料級配，使得混凝土內部孔隙結構得到改善，孔隙率減小、結構致密性增強，外界水分與有害離子難以滲透進去，因此提高了混凝土自身抗水滲透與抗氯離子侵蝕性能。而隨著二者比值的降低，在5 ∶5和4 ∶6時，復合砂顆粒分布不均，未能形成連續級配，削弱了混凝土內部密實堆積結構，孔隙率變大、連通孔隙增多。另外，隨著石屑摻比提高，其中石粉含量增多，使得需水量增加；而在用水量不變的情況下，拌和物黏稠性逐漸增大，工作性變差，不利于混凝土成型密實，內部存在較多孔隙缺陷，在壓力水作用下，一部分連通孔隙充當了滲水通道，從而造成混凝土抗滲耐久性能劣化。

3 復合砂對混凝土用砂成本影響分析

在保證混凝土各項基本性能滿足要求的前提下，使用機制砂與石屑搭配的復合砂替代混凝土中的天然河砂，不僅可有效緩解目前市場天然砂資源緊缺和砂價居高不下的局面，也是積極響應國家環保政策號召，實現固廢資源的循環再生綜合利用。由于各地區細集料品質和種類不同價格會有所差異，本文中僅以當時試驗階段市場原材料價格水平為例，在運輸距離相同的情況下，成本按照河砂150元/t、水洗機制砂120元/t、石屑平均價格100元/t計算，按照表9中所列各強度等級配合比只考慮細集料用量的情況下，分別計算其復合砂替代天然河砂各自對應的經濟成本，見表10。由表10可知，隨著混合砂中石屑摻入比例的提高，用砂成本不斷降低，在機制砂與石屑三種搭配比例4 ∶6、5 ∶5、6 ∶4中，每立方米混凝土中可節約用砂成本24～46元，若大量使用，具有可觀的經濟效益。

表10 每立方米混凝土中復合砂替代水砂生產成本

續表

4 結 論

(1)通過兩種水洗機制砂J1與J2，分別與石屑S按質量比為8 ∶2、7 ∶3、6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6兩兩正交搭配，根據滿足II區中砂級配區間且石屑摻比較大的復配要求，最終得到6種復合砂。當機制砂與廢石屑兩者復配比例為6 ∶4時，復合砂具有最低的松散堆積空隙率。

(2)相同配比下，兩種機制砂J1、J2與石屑S分別按質量比6 ∶4、5 ∶5搭配時混凝土拌合物坍落度、擴展度測試指標均可滿足使用要求。而當兩者搭配比例為4 ∶6時，增大了石粉摻量，使得集料比表面積變大對水和外加劑吸附能力增強,導致混凝土工作性變差。

(3)兩種機制砂J1與J2分別與石屑S按不同搭配比例6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6組成的混合砂所制備的C30～C50混凝土28 d抗壓強度均可滿足設計值要求，尤其是在機制砂與石屑質量比為6 ∶4時混凝土強度富余值達最大。

(4)機制砂J2與石屑S在二者搭配比例為6 ∶4時配制的C30～C50復合砂混凝土抗滲耐久性能最優，而在二者搭配比例為5 ∶5和4 ∶6時，隨著復合砂中石屑摻比的增加耐久性能逐步劣化。

(5)復合砂中機制砂與石屑的合理搭配，可使用砂成本不同程度的降低，當機制砂與石屑搭配比例分別為4 ∶6、5 ∶5、6 ∶4時，每立方米混凝土中可節約用砂成本在24～46元之間，其中在機制砂與石屑質量比為6 ∶4時經濟效益更加明顯。